岩土工程综合设计(桩基础和基坑工程).doc

岩土工程专业方向课程设计
桩基础工程设计
基坑工程课程设计

姓 名：
学 号：
专业名称：
班 级：
指导教师：

大学土木工程学院

目录
第一部分
1.设计资料
2．桩端持力层 、桩型和承台埋深的选择
3. 确定单桩承载力
4．确定桩数和承台尺寸
5．群桩承载力验算
6. 桩基础沉降验算
7．桩身结构设计和计算
8． 承台设计计算
9.绘制桩承台施工图
10、 参 考 文 献
第二部分
1．工程概况
2．支护结构设计方案的选择
3．土钉布置
4．土压力计算
5、土钉布置及安全性验算
6.土钉的选筋
7.面层的设计
8、抗滑安全验算
9、抗倾覆安全验算
10、抗管涌稳定安全系数(K ≥ 1.5):
11.施工图绘制
12.参考文献
致谢

第 一 部 分

桩

基

础

工

程

设

计

1.设计资料
某厂房上部结构传来的荷载设计值为轴力F=2294KN，弯矩M=78KN*m,剪力Q=47KN，柱截面尺寸为1000´400mm；该厂房位于城郊地区，附近建筑较少，地势较平坦。
场地地下水类型为潜水，地下水位离地表2.1米，根据已有资料，该场地地下水对混凝土没有腐蚀性。
场地土层分布情况及各土层物理、力学指标见表1-1.
表1-1 地基各土层物理，力学指标
土层
编号
土层名称
层底埋深
（m）
层厚
（m）

1
杂填土
1.8
1.8
17.5

2
灰褐色粉质粘土
10.1
8.3
18.4
0.90
33
0.95
16.7
21.1
5.4
125
0.72
3
灰褐色泥质粘土
22.1
12.0
17.8
1.06
34
1.10
14.2
18.6
3.8
95
0.86
4
黄褐色粉土夹粉质粘土
27.4
5.3
19.1
0.88
30
0.70
18.4
23.3
11.5
140
3.44
5
灰-绿色粉质粘土
>27.4

19.7
0.72
26
0.46
36.5
26.8
8.6
210
2.82

2．桩端持力层 、桩型和承台埋深的选择
（1） 选择桩型
根据施工场地、地基条件以及场地周围环境条件，选择桩基础。为了较好的保证桩身质量，并在较短的施工工期完成沉桩任务，同时，根据施工环境的要求，采用静压预制钢筋混凝土方桩 。
（2） 选择持力层
依据地基土的分布，第③层是灰色淤泥质的粉质粘土，且比较厚，而第④层是粉土夹粉质粘土，比较适合的桩端持力层。桩端全断面进入持力层1.0m（>2d），工程桩入土深度为
（3）承台埋深
由于第①层后1.8m，地下水位为离地表2.1m,为了使地下水对承台没有影响，所以选择承台底进入第②层土0.3m，即承台埋深为2.1m，桩基得有效桩长即为23.1-2.1=21m。
（4）桩尺寸的确定
桩截面尺寸选用： 350mm×350mm，由施工设备要求，桩分为两节，上段长11m，下段长11m（不包括桩尖长度在内），实际桩长比有效桩长长1m，这是考虑持力层可能有一定的起伏以及桩需要嵌入承台一定长度而留有的余地。
桩基以及土层分布示意如图2-1。

图2-1桩基及土层分布示意图

3. 确定单桩承载力
本设计采用经验参数法估算单桩极限承载力标准值。
桩端的竖向极限承载力标准值的计算公式

其中：
u――桩身截面周长，m。

――桩穿过第i层土的厚度。
――桩身横截面积，扩底桩为桩底水平投影面积，，
――桩端阻力修正系数，查表2.2。
由于桩尖入土深度H=23.1m(15贯入阻力平均值。
故，，
为折减系数，因为，取＝1。
按经验参数法确定单桩竖向承载力极限承载力标准值：

估算的单桩竖向承载力设计值（）

由于R2初步确定桩数。

4．确定桩数和承台尺寸
最大轴力组合的荷载：
初步估算桩数,由于柱子是偏心受压，故考虑一定的系数，规范中建议取，
现在取1.1的系数，即：

取n＝4根，桩距 ,
桩位平面布置如图4-1，承台底面尺寸为

图4-1桩基础

5．群桩承载力验算
（1）确定复合基桩竖向承载力设计值
该桩基属于非端承桩，并n>3,承台底面下并非欠固结土，新填土等，故承台底面不会于土脱离，所以宜考虑桩群、土、承台的相互作用效应，按复合基桩计算竖向承载力设计值。
本设计用群桩效应系数法计算复合基桩的竖向承载力设计值

图2-7
承台净面积：。
承台底地基土极限阻力标准值：

分项系数
因为桩分布不规则，所以要对桩的距径比进行修正，修正如下：

群桩效应系数查表得：
承台底土阻力群桩效应系数:
承台外区净面积
承台内区净面积m2
查表

那么，B复合桩基竖向承载力设计值R:

（2） 桩顶作用验算
荷载
承台高度设为1m等厚，荷载作用于承台顶面。
本工程安全等级为二级，建筑物的重要性系数=1.0.
由于柱处于①轴线，它是建筑物的边柱，所以室内填土比室外高，设为0.3m，即室内高至承台底2.4m，所以承台的平均埋深。
作用在承台底形心处的竖向力有F,G,但是G的分项系数取为1.2.

作用在承台底形心处的弯矩
桩顶受力计算如下：

满足要求
6. 桩基础沉降验算
采用长期效应组合的荷载标准值进行桩基础的沉降计算。由于桩基础的桩中心距小于6d，所以采用分层总和法计算最终沉降量。
竖向荷载标准值
基底处压力
基底自重压力
基底处的附加应力
桩端平面下的土的自重应力和附加应力（）计算如下：
①．在z=0时：

=206.9

②．在时：

③．在时：

④．在时

将以上计算资料整理于表6-1
表 的计算结果

Z(m)

0
206.9
1
0
0.25
496.7
2
225.1
1
2.1
0.0786
156.16
2.8
232.38
1
3
0.0447
88.8
4.3
246
1
4.5
0.0218
43.5
在z=4.4m处，，所以本基础取计算沉降量。
计算如表2.5
表6-1计算沉降量

Z(mm)

0
1
0
0.25
0

2000
1
2.1
0.1771
3422
342.2
11500
59.1
2800
1
3
0.1369
383.3
41.1
11500
7.1
4300
1
4.5
0.1017
437.3
54
11500
9.3
S’=59.1+7.1+9.3=75.5mm
桩基础持力层性能良好，去沉降经验系数。
短边方向桩数，等效距径比，长径比，承台的长宽比，查表：

所以，四桩桩基础最终沉降量= 满足要求
7．桩身结构设计和计算
两端桩长各11m,采用单点吊立的强度进行桩身配筋设计。吊立位置在距桩顶、桩端平面0.293l(L=11m)，起吊时桩身最大正负弯矩，其中K=1.3 。即为每延米桩的自重（1.2为恒载分项系数）。桩身长采用混凝土强度C30,II级钢筋，所以：

桩身截面有效高度

桩身受拉主筋
选用，因此整个截面的主筋胃，配筋率为％>％。其他构造要求配筋见施工图
桩身强度

满足要求
8． 承台设计计算
承台混凝土强度等级采用C20
由于桩的受力可知，桩顶最大反力，平均反力,桩顶净反力：

（1） 柱对承台的冲切
由图2-8，，承台厚度H=1.0m,计算截面处的有效高度，承台底保护层厚度取80mm.
冲垮比
冲切系数
B柱截面取，混凝土的抗拉强度设计值
冲切力设计值

(2) 角桩对承台的冲切
由图2-8，
角桩冲垮比
角桩的冲切系数

满足要求
（3）斜截面抗剪验算
计算截面为I-I，截面有效高度，截面的计算宽度，混凝土的抗压强度，该计算截面的最大剪力设计值

剪跨比
剪切系数
满足要求
（4）受弯计算
承台I-I截面处最大弯矩
II级钢筋

每米宽度范围的配筋，选用
整个承台宽度范围内用筋根，取14根，而且双向布置，即（双向布置）
（5）承台局部受压验算
B柱截面面积，
局部受压净面积，
局部受压计算面积
混凝土的局部受压强度提高系数
满足条件

承台结构计算图

9.绘制桩承台施工图
见施工图1、2.

10、 参 考 文 献

1. 中华人民共和国国家标准·《 建筑桩基础技术规范（JGJ94—94） 》·中国建筑工业出版社，2002
2. 中华人民共和国国家标准·《 建筑地基基础设计规范（GB50007—2002） 》中国建筑工业出版社，2002
3． 中华人民共和国国家标准·《 混凝土结构设计规范（GB20010—2002） 》·中国建筑工业出版社，2002
4． 丁 星 编著·《桩基础课程设计指导与设计实例》·四川大学建筑与环境学院，2006
5． 王 广 月编著·《地基基础工程》中国水利水电出版社，2001
6． 赵 明 华 主编·《基础工程》·高等教育出版社，2003
7． 陈 希 哲 编著·《土力学地基基础》·清华大学出版社，2004
8． 熊 峰编著·《结构设计原理》·科学出版社.2002

第 二 部 分

基

坑

支

护

工

程

设

计

1．工程概况：
（1）.河南理工大学拟建一栋综合楼，拟建建筑物长宽分别为：88米和27米，框架结构，地上8层，地下一层。基坑开挖深度为6m，边坡土质为沙土，由于受场地条件所限，需要对基坑周边进行支护处理。基坑等级为二级。
（2）.工程地质勘查资料
拟建场地地形比较平坦，根据地质勘察资料，场地土的物理力学指标见表2-1 。
表2-1 地基土的物理力学性质指标
土层序号
土层名称
层厚h（m）
（KN/m3）
C（KPa）
（ °）
Qsk(kpa)
1
素填层
2.4
18.5
10
15
20
2
细沙

4.5
19.2
0
32
40
3
中砂
2.6
19.5
0
34
60
4
细沙
3.5
19.2
0
32
70

（3）．场地水文地质条件
根据地质资料，本场区地下水属孔隙潜水，主要以大气降水补给，以蒸发及地下径流为主要排出方式，场区地下水对混凝土，钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀作用。

2．支护结构设计方案的选择
根据设计及现场情况，基坑采用大开挖，基坑埋深6.0m，地下水位较高且丰富，为保证周边建筑物的安全和基础施工的顺利进行，需进行有效的基坑支护。在保证安全支护的条件下，并从经济角度考虑，争取最低造价方案，取得最佳结果。本工程基坑采用土钉墙支护方案。
3．土钉布置
土钉墙坡度与水平夹角85°地面超载15KPa，暂定土钉的竖向间距和水平间距均为1.5m。土钉与水平夹角=15°。
4．土压力计算
按不放坡的情况计算土压力。
地面超载 =15KPa
各土层重度=18.5KN/m3 ，=19.2KN/m3 ，=19.5 KN/m3 ，=19.2KN/m3
各土层内摩角 =15°，=32° ，=34° ， =32°
各土层粘聚力 ,
则土压力系数：

。
放坡对土压力的修正系数公式为：

式中——土钉墙坡面与水平面的夹角。

因此有：

5、土钉布置及安全性验算

素填土=20kPa 细砂=40 kPa 中砂=60 kPa 细砂=70 kPa
单根土钉抗拉承载力计算应符合下式要求

式中
——第j根土钉受拉荷载标准值
——第j根土钉抗拉承载力设计值

单根土钉受拉荷载标准值可按下式计算

式中——荷载折减系数
——第j个土钉位置处的基坑水平荷载标准值
、——第j根土钉与相邻土钉的平均水平垂直间距
——第j根土钉与水平面的夹角
抗拉承载力设计值按下式计算:

——式中土钉抗拉抗力分项系数取1.3
——第j根土钉锚固体直径
——土钉穿越第j层土土体与锚固体极限摩阻力标准值
——第i根土钉在直线破裂面外穿越第稳定土体内的长度破裂面与水平面的夹角为

（1） 一次布钉
根据工程经验共设置4层土钉，土钉锚固端长度分别为：3m 5.6m 5.6m 5.6m
第一层土钉：

=

满足要求。
第二层土钉：

满足要求。
第三层土钉：

满足要求。
第四层土钉：

满足要求。
基坑各层土钉的计算结果：
土钉号

C（KN）

L(m)

K
1
1.0
0.589
0.767
10
15
9.74
7
3
14.5
1.49
2

2.5
0.307
0.544
0
32
39.92
8.6
5.6
54.08
1.38
3
4.0
0.307
0.544
0
32
51.94
7.6
5.6
80.80
1.55
4
5.5
0.307
0.544
0
32
73.33
6.1
5.6
94.54
1.29

=174.93KN =243.88KN
土钉抗拔力的安全系数：

设置不合理
（2） 调整布钉
由于土钉受力较大是在中间布置的土钉，所以把第三层土钉调整到锚固端8.8m
计算如下：
第一层土钉：

=

满足要求。
第二层土钉：

满足要求。
第三层土钉：

满足要求。
第四层土钉：

满足要求。
基坑各层土钉的计算结果：
土钉号

C（KN）

L(m)

K
1
1.0
0.589
0.767
10
15
9.74
7
3
14.5
1.49
2
2.5
0.307
0.544
0
32
39.92
8.6
5.6
54.08
1.38
3
4.0
0.307
0.544
0
32
51.94
7.6
5.6
127.00
1.55
4
5.5
0.307
0.544
0
32
73.33
6.1
5.6
94.54
1.29

=174.93KN =290.08KN
土钉抗拔力的安全系数：

设置合理。
6.土钉的选筋：
计算土钉钢筋面积是在土钉选筋时，取局部抗拉和整体稳定中土钉拉力的大值作为土钉面积计算的依据。
土钉钢筋计算面积：
：

式中：
Bs
——
钢筋放大系数，系统默认为1；
N
——
局部抗拉计算的土钉拉力（kN）；
R
——
整体稳定计算的土钉极限抗拔力（kN）；
fyk
——
土钉钢筋的抗拉标准值（N/mm2）。

选用，A=605.8
7.面层的设计
（1）面层荷载计算：
面层以土钉水平间距和竖向间距为计算单元，按双向板或单向板（假设支撑条件为简支）计算内力，并进行截面设计。
面层荷载按下式计算：

式中：
ｓ
——
为土钉水平间距和竖向间距中的较大值（ｍ）；
面层板内力：

式中：
M
——
跨中弯矩设计值（kN.m/m）；
k
——
弯矩系数；
p
——
面层简化均布荷载设计值（kN/m2）；
l01
——
Sx、Sz中的小值

（2） 面层板布筋
在如下的计算过程中进行合理的估计面层的配筋方式，然后验算是否超筋或者少筋，并进行调整。面层为双向配筋，水平配筋和竖向配筋均为d6 @200，面层厚度60mm，混凝土的强度等级为C20， 荷载的分项系数按1.200。
具体计算为：
面层板配筋采用单筋配筋方式，并按水平跨度为1m的板进行计算。
=141mm2

=141mm2

判别αs与αsmax的大小：
1） 若αs ≤ αsmax

最后比较计算配筋面积与最小配筋面积的大小，两者取大

式中：
M
——
跨中弯矩设计值（kN.m）；
αs
——
截面抵抗矩系数；
αsmax
——
最大截面抵抗矩系数；
α1
——
系数。当混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0；当混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；
fc
——
混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）；
fy
——
钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；
b
——
截面宽度（mm），这里b=1000mm；
h
——
截面高度（mm）；
h0
——
截面有效高度（mm），h0 = h - as；
as
——
受拉钢筋的重心到截面受拉区外边缘的距离（mm）；
ξ
——
相对受压区高度；
ξb
——
界限相对受压区高度；

β1
——
系数。当混凝土强度等级不超过C50时，β1取为0.8，当混凝土强度等级为C80时，β1取为0.74，其间按线性内插法确定；
Es
——
钢筋弹性模量（N/mm2）；
εcu
——
正截面的混凝土极限压应变，如果计算的εcu值大于0.0033，取为0.0033；
fcu,k
——
混凝土立方体抗压强度标准值；
As
——
受拉区纵向钢筋截面面积（mm2）；
Asmin
——
按最小配筋率计算得到的受拉钢筋面积（mm2）；
ρmin
——
受拉钢筋最小配筋率
ft
——
板所用混凝土强度设计值（N/mm2）。

2） 若αs >αsmax
应加大截面尺寸或提高混凝土强度等级。

8、抗滑安全验算
墙宽设计为3m
由式：

=1.78>1.2
满足要求。
9、抗倾覆安全验算
抗倾覆安全系数:

Mp——被动土压力及支点力对桩底的弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。
Ma——主动土压力对桩底的弯矩;

=
=708.75KN

=2.02>1.6
满足要求。
10、抗管涌稳定安全系数(K ≥ 1.5):

式中 γ0———侧壁重要性系数;
γ'———土的有效重度(kN/m3);
γw———地下水重度(kN/m3);
h'———地下水位至基坑底的距离(m);
D———桩(墙)入土深度(m);

K = 1.740 ≥ 1.5, 满足规范要求。

11.施工图绘制
见附图1、2.

12.参考文献
1.《建筑基坑支护技术规程》（JGJ20-99），1999；
2.《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97），1997；
3.《基坑工程手册》，侯学渊，刘建航，北京：中国建筑工业出版社，1997；
4.《深基坑支护工程实例集》，黄强等主编，北京：中国建筑工业出版社，2001；
5.《深基坑工程》陈忠汉，黄书秩，程丽萍编著，北京：机械工业出版社，2002；
6.《深基坑支护工程设计技术》，黄强编著，北京：中国建筑工业出版社，1995 ；
7.《土钉支护在深基坑工程中的应用》，陈肇元等编著，北京：中国建筑工业出版社，1997；

致 谢
时光如白驹过隙，大学的学习生活即将划上一个句号。
毕业在即，我特别要感谢所有教过我的老师们，是你们给予我无私的指导，以你们所独有的渊博厚重的学识、严谨负责的治学态度、谦和儒雅的学者风范，深深影响了我，所谓一日为师，终生为师。在此，衷心地感谢老师们在这几年里对我孜孜不倦的教诲。我也非常感谢我大学的同学们，在竞争和合作中，我们不断成长，不断进步。另外，还要感谢我的父母给我无私的关怀，为我提供了经济支持和帮助。
有感慨也有期盼，学校“明德、厚学、沉毅、笃行”的精神深深地影响了我的大学时光，将使我受益一生。我已做好充分的准备，有勇气去面对不可预知的未来，用自己的知识和能力去创造美好的事物，回馈社会，回馈母校，回馈我敬爱的老师们！